JP6471700B2 - Method for melting silicon raw material using recharge device - Google Patents

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Description

本発明は、チョクラルスキー法(以下、CZ法という)によるシリコン単結晶の製造工程で用いられるシリコン原料のリチャージ装置およびこのリチャージ装置を用いたシリコン原料の融解方法に関するものである。   The present invention relates to a silicon raw material recharging device used in a silicon single crystal manufacturing process by the Czochralski method (hereinafter referred to as CZ method) and a silicon raw material melting method using the recharging device.

CZ法によるシリコン単結晶の製造方法としてマルチプリング法が知られている(例えば、特許文献1参照)。マルチプリング法では、シリコン単結晶を引き上げた後、同一の石英ルツボ内に多結晶シリコン等の原料を追加供給して融解し、得られたシリコン融液からシリコン単結晶の引き上げを行い、このような原料供給工程と単結晶引き上げ工程を繰り返すことにより、一つの石英ルツボから複数本のシリコン単結晶インゴットを製造する。マルチプリング法によれば、石英ルツボの原価を含む単結晶インゴット一本当たりの製造コストを低減することが可能である。またチャンバーを解体して石英ルツボを交換する頻度を低減できるため、操業効率を向上させることが可能である。   A multiple pulling method is known as a method for producing a silicon single crystal by the CZ method (see, for example, Patent Document 1). In the multiple pulling method, after pulling up the silicon single crystal, additional raw materials such as polycrystalline silicon are melted in the same quartz crucible, and the silicon single crystal is pulled up from the obtained silicon melt. By repeating the raw material supply step and the single crystal pulling step, a plurality of silicon single crystal ingots are manufactured from one quartz crucible. According to the multiple pulling method, the manufacturing cost per single crystal ingot including the cost of the quartz crucible can be reduced. In addition, since the frequency with which the chamber is disassembled and the quartz crucible is replaced can be reduced, it is possible to improve operational efficiency.

マルチプリング法では原料を追加供給するための道具であるリチャージ装置が用いられている。例えば、特許文献1には、石英からなる筒体の下端に観音開き式の底板が設けられ、底板がモリブデンからなるリチャージ装置が記載されている。ランプ状原料が収容された筒体をワイヤーで吊り上げた状態でチャンバー内のルツボの上方に配置し、底板を開くことにより、ランプ状原料がルツボ内に投入される。   In the multiple pulling method, a recharging device which is a tool for additionally supplying raw materials is used. For example, Patent Document 1 describes a recharging device in which a double plate type bottom plate is provided at the lower end of a cylinder made of quartz, and the bottom plate is made of molybdenum. The cylindrical body containing the lamp-shaped raw material is placed above the crucible in the chamber in a state where it is suspended by a wire, and the bottom plate is opened, whereby the lamp-shaped raw material is put into the crucible.

また、特許文献2には、石英ガラスからなる円筒状のホッパー本体と、ホッパー本体の下端開口部を開閉する底蓋とを備えたリチャージ装置において、底蓋が円錐形状を有し且つ気泡を含む石英ガラスからなることが記載されている。   Patent Document 2 discloses a recharging device including a cylindrical hopper body made of quartz glass and a bottom lid that opens and closes a lower end opening of the hopper body. The bottom lid has a conical shape and includes bubbles. It is described that it consists of quartz glass.

また石英ルツボ内の原料の融解方法として、例えば特許文献3には、原料融解時の熱損失を低減するため、ルツボの上方を覆うように熱遮蔽板(メルト蓋)を設置した状態で原料を融解する方法が記載されている。   As a method for melting the raw material in the quartz crucible, for example, in Patent Document 3, in order to reduce heat loss when the raw material is melted, the raw material is placed in a state where a heat shielding plate (melt lid) is installed so as to cover the upper part of the crucible. A method of melting is described.

特開昭57−95891号公報JP 57-95891 A 特開2004−244236号公報JP 2004-244236 A 特開平3−193694号公報JP-A-3-193694

シリコン原料の融解工程において、上記のメルト蓋を用いた場合には原料の加熱効率を高めることができ、これにより一定の電力削減効果が期待できる。   In the melting step of the silicon raw material, when the above-described melt lid is used, the heating efficiency of the raw material can be increased, and thereby a certain power reduction effect can be expected.

しかしながら、上述したリチャージ装置とメルト蓋とを使用する場合、リチャージ装置を用いて原料を追加投入した後、リチャージ装置をチャンバー外に取り出してメルト蓋に付け替えてから原料融解工程を実施しなければならず、この付け替え工程中はチャンバー内の温度の低下を抑えるためにヒーターのパワーを高める必要があるため、期待するほどの電力削減効果が得られないという問題がある。   However, when using the above-described recharge device and melt lid, after the raw material is additionally charged using the recharge device, the material melting step must be performed after the recharge device is taken out of the chamber and replaced with the melt lid. However, since it is necessary to increase the power of the heater during the replacement process in order to suppress a decrease in the temperature in the chamber, there is a problem that an expected power reduction effect cannot be obtained.

したがって、本発明の目的は、原料のリチャージを確実に行うことができるだけでなく、その後の原料融解工程において原料の加熱効率を高めることも可能なリチャージ装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、そのようなリチャージ装置を用いた電力削減効果が高いシリコン原料の融解方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a recharging apparatus that can not only reliably recharge a raw material but also increase the heating efficiency of the raw material in the subsequent raw material melting step. Another object of the present invention is to provide a silicon raw material melting method having a high power reduction effect using such a recharging device.

上記課題を解決するため、本発明によるリチャージ装置は、シリコン原料を収容するチャージ管と、前記チャージ管の下端開口部を開閉する底蓋と、前記底蓋を昇降可能に支持するシャフトとを有し、前記底蓋は、前記チャージ管の内側底面を構成する円錐形状のコーン部と、前記チャージ管の外側底面を構成する平坦な底板部とを含み、前記コーン部は、石英ガラスからなり、前記底板部は、前記コーン部よりも耐熱性が高い材料からなり、前記底蓋は、前記下端開口部よりも下方に降下することにより前記下端開口部を開放して前記チャージ管内の前記シリコン原料を落下させることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a recharging apparatus according to the present invention includes a charge pipe that stores a silicon raw material, a bottom lid that opens and closes a lower end opening of the charge pipe, and a shaft that supports the bottom lid to be movable up and down. The bottom cover includes a cone-shaped cone portion constituting the inner bottom surface of the charge tube and a flat bottom plate portion constituting the outer bottom surface of the charge tube, and the cone portion is made of quartz glass, The bottom plate portion is made of a material having higher heat resistance than the cone portion, and the bottom cover opens the lower end opening by descending below the lower end opening to open the silicon raw material in the charge pipe It is characterized by dropping.

本発明によれば、チャージ管内に収容されたシリコン原料の汚染防止と取り出しやすさを確保しながら底蓋の耐熱性を高めることができる。したがって、底蓋を原料融解時のメルト蓋として使用することができ、石英ルツボ内にリチャージしたシリコン原料の融解工程において底蓋をメルト蓋として使用しながら原料を加熱することにより、原料の加熱効率を高めて消費電力を削減することができ、原料融解時間を短縮することもできる。   According to the present invention, the heat resistance of the bottom cover can be enhanced while ensuring the prevention of contamination of the silicon raw material accommodated in the charge tube and the ease of taking it out. Therefore, the bottom lid can be used as a melt lid at the time of melting the raw material, and the heating efficiency of the raw material by heating the raw material while using the bottom lid as the melt lid in the melting process of the silicon raw material recharged in the quartz crucible. The power consumption can be reduced and the raw material melting time can be shortened.

本発明において、前記底板部は、黒鉛、タングステンおよびモリブデンから選ばれた少なくとも一つの材料を含むことが好ましい。底板部がこれらの材料のいずれかで構成される場合には底盤部の耐熱性を高めることができ、よって底蓋をメルト蓋として使用することが可能となる。   In the present invention, the bottom plate portion preferably includes at least one material selected from graphite, tungsten, and molybdenum. When the bottom plate portion is made of any of these materials, the heat resistance of the bottom plate portion can be increased, and thus the bottom lid can be used as a melt lid.

本発明において、前記コーン部と前記底板部とに囲まれた前記底蓋の内部は空洞であってもよく、前記底蓋の内部には炭素繊維が充填されていてもよい。炭素繊維が充填されている場合には底蓋の耐熱性をさらに高めることができる。   In the present invention, the inside of the bottom lid surrounded by the cone portion and the bottom plate portion may be a cavity, and the inside of the bottom lid may be filled with carbon fiber. When the carbon fiber is filled, the heat resistance of the bottom cover can be further increased.

本発明において、前記コーン部と前記底板部とに囲まれた前記底蓋の内部には断熱材料層と空洞層とが交互に積層された多層構造体が設けられており、前記断熱材料層は、黒鉛、タングステンおよびモリブデンから選ばれた少なくとも一つの材料を含むことが好ましい。この構造によれば、底蓋の耐熱性をさらに高めることができる。   In the present invention, a multilayer structure in which a heat insulating material layer and a hollow layer are alternately stacked is provided inside the bottom lid surrounded by the cone portion and the bottom plate portion, and the heat insulating material layer is It is preferable to contain at least one material selected from graphite, tungsten and molybdenum. According to this structure, the heat resistance of the bottom lid can be further increased.

本発明において、前記コーン部と前記底板部とに囲まれた前記底蓋の内部には第1の断熱材料層と第2の断熱材料層とが交互に積層された多層構造体が設けられており、前記第1の断熱材料層は、黒鉛、タングステンおよびモリブデンから選ばれた少なくとも一つの材料を含み、前記第2の断熱材料層は炭素繊維からなることが好ましい。この構造によれば、底蓋の耐熱性をさらに高めることができる。   In the present invention, a multilayer structure in which first heat insulating material layers and second heat insulating material layers are alternately stacked is provided inside the bottom lid surrounded by the cone portion and the bottom plate portion. The first heat insulating material layer preferably includes at least one material selected from graphite, tungsten, and molybdenum, and the second heat insulating material layer is preferably made of carbon fiber. According to this structure, the heat resistance of the bottom lid can be further increased.

また、上記リチャージ装置を用いた本発明によるシリコン原料の融解方法は、シリコン原料が収容された前記リチャージ装置をチャンバー内の石英ルツボの上方に配置する工程と、前記リチャージ装置の前記チャージ管の下端開口部を閉塞する前記底蓋を降下させて前記チャージ管内の前記シリコン原料を前記石英ルツボ内にリチャージする工程と、前記リチャージ装置が前記チャンバー内に設置され且つ前記底蓋を降下させた状態のまま前記石英ルツボ内の前記シリコン原料をヒーターで加熱して融解する工程とを備えることを特徴とする。   Further, the silicon raw material melting method according to the present invention using the recharge device includes a step of disposing the recharge device containing the silicon raw material above a quartz crucible in a chamber, and a lower end of the charge tube of the recharge device. A step of lowering the bottom lid closing the opening to recharge the silicon raw material in the charge tube into the quartz crucible; and a state in which the recharge device is installed in the chamber and the bottom lid is lowered. And the step of heating and melting the silicon raw material in the quartz crucible with a heater.

このように、本発明によるシリコン原料の融解方法は、リチャージ原料の融解工程においてリチャージ装置の底蓋をメルト蓋として使用しながら原料を加熱するので、原料の加熱効率を高めて消費電力を削減することができるだけでなく、リチャージ装置からメルト蓋への段取りロスを削減することができる。   As described above, the silicon raw material melting method according to the present invention heats the raw material while using the bottom cover of the recharge device as a melt lid in the melting step of the recharge raw material, thereby increasing the heating efficiency of the raw material and reducing the power consumption. In addition, the setup loss from the recharging device to the melt lid can be reduced.

さらにまた、上記リチャージ装置を用いた本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、シリコン原料が収容された前記リチャージ装置をチャンバー内の石英ルツボの上方に配置する工程と、前記リチャージ装置の前記チャージ管の下端開口部を閉塞する前記底蓋を降下させて前記チャージ管内の前記シリコン原料を前記石英ルツボ内にリチャージする工程と、前記リチャージ装置が前記チャンバー内に設置され且つ前記底蓋を降下させた状態のまま前記石英ルツボ内の前記シリコン原料をヒーターで加熱して融解する工程と、前記石英ルツボ内のシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる工程とを備えることを特徴とする。   Furthermore, the method for producing a silicon single crystal according to the present invention using the recharge device includes a step of disposing the recharge device containing a silicon raw material above a quartz crucible in a chamber, and the charge tube of the recharge device. Lowering the bottom lid that closes the lower end opening of the battery to recharge the silicon raw material in the charge tube into the quartz crucible, and the recharge device is installed in the chamber and the bottom lid is lowered. The silicon raw material in the quartz crucible in a state is heated and melted by a heater, and the silicon single crystal is pulled from the silicon melt in the quartz crucible.

このように、本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、リチャージ原料の融解工程においてリチャージ装置の底蓋をメルト蓋として使用しながら原料を加熱するので、原料の加熱効率を高めて消費電力を削減することができるだけでなく、リチャージ装置からメルト蓋への段取りロスを削減することができる。   As described above, the silicon single crystal manufacturing method according to the present invention heats the raw material while using the bottom lid of the recharge device as a melt lid in the melting step of the recharge raw material, thereby increasing the heating efficiency of the raw material and reducing power consumption. Not only can this be done, but the setup loss from the recharging device to the melt lid can be reduced.

本発明によれば、原料のリチャージを確実に行うことができるだけでなく、その後の原料融解工程において原料の加熱効率を高めることも可能なリチャージ装置を提供することができる。また、本発明によれば、そのようなリチャージ装置を用いた電力削減効果が高いシリコン原料の融解方法を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a recharging device that can not only reliably recharge a raw material but also increase the heating efficiency of the raw material in the subsequent raw material melting step. In addition, according to the present invention, it is possible to provide a silicon raw material melting method having a high power reduction effect using such a recharging device.

図1は、本発明によるリチャージ装置が適用されるシリコン単結晶製造装置の構成を示す略断面図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a silicon single crystal manufacturing apparatus to which a recharging apparatus according to the present invention is applied. 図2(a)および(b)は、本発明の実施の形態によるリチャージ装置の構成を示す略断面図であって、(a)は底蓋が閉じられ且つシリコン原料が収容された状態、(b)は底蓋が開かれ且つシリコン原料が収容されてない状態をそれぞれ示している。2 (a) and 2 (b) are schematic cross-sectional views showing the configuration of the recharging device according to the embodiment of the present invention, in which (a) is a state in which the bottom cover is closed and a silicon raw material is accommodated. b) shows a state where the bottom lid is opened and no silicon raw material is accommodated. 図3は、リチャージ装置を用いたシリコン原料のリチャージ工程および融解工程を説明するための略断面図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view for explaining a silicon material recharging step and a melting step using the recharging device. 図4は、リチャージ装置を用いたシリコン原料のリチャージ工程および融解工程を説明するための略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view for explaining a silicon material recharging step and a melting step using a recharging device. 図5は、リチャージ装置を用いたシリコン原料のリチャージ工程および融解工程を説明するための略断面図である。FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining a silicon material recharging step and a melting step using a recharging device. 図6は、リチャージ装置を用いたシリコン原料のリチャージ工程および融解工程を説明するための略断面図である。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view for explaining a silicon material recharging step and a melting step using a recharging device. 図7(a)〜(c)は、リチャージ原料1投分の電力消費のシミュレーション結果を示すグラフである。FIGS. 7A to 7C are graphs showing simulation results of power consumption for one recharge raw material. 図8(a)〜(d)は、リチャージ装置の底蓋の構造のバリエーションを示す断面図である。8A to 8D are cross-sectional views showing variations of the structure of the bottom cover of the recharging device.

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1は、本発明によるリチャージ装置が適用されるシリコン単結晶製造装置の構成を示す略断面図である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a silicon single crystal manufacturing apparatus to which a recharging apparatus according to the present invention is applied.

図1に示すように、シリコン単結晶製造装置1は、チャンバー10と、チャンバー10の内面に沿って配置された断熱材11と、チャンバー10内においてシリコン融液3を支持する石英ルツボ12と、石英ルツボ12を支持する黒鉛ルツボ13と、黒鉛ルツボ13を支持するシャフト14と、黒鉛ルツボ13の周囲に配置されたヒーター15と、石英ルツボ12の上方に配置された熱遮蔽体16と、黒鉛ルツボ13の上方であってシャフト14と同軸上に配置された単結晶引き上げワイヤー17と、チャンバー10の上方に配置されたワイヤー巻き取り機構18とを備えている。   As shown in FIG. 1, the silicon single crystal manufacturing apparatus 1 includes a chamber 10, a heat insulating material 11 disposed along the inner surface of the chamber 10, a quartz crucible 12 that supports the silicon melt 3 in the chamber 10, A graphite crucible 13 that supports the quartz crucible 12, a shaft 14 that supports the graphite crucible 13, a heater 15 disposed around the graphite crucible 13, a heat shield 16 disposed above the quartz crucible 12, and graphite A single crystal pulling wire 17 disposed above the crucible 13 and coaxially with the shaft 14 and a wire winding mechanism 18 disposed above the chamber 10 are provided.

チャンバー10は、メインチャンバー10aと、メインチャンバー10aの上部開口に連結された細長い円筒状のプルチャンバー10bとで構成されており、石英ルツボ12、黒鉛ルツボ13、ヒーター15および熱遮蔽体16はメインチャンバー10a内に設けられている。プルチャンバー10bにはアルゴンガス(パージガス)の導入口10cが設けられており、メインチャンバー10aの底部にはアルゴンガスの排気口10dが設けられている。チャンバー10内には上方から下方に向かってアルゴンガスの流れが発生している。さらに、プルチャンバー10bの内側には、後述するリチャージ装置の降下動作を制限する係止片10eが設けられている。   The chamber 10 includes a main chamber 10a and an elongated cylindrical pull chamber 10b connected to the upper opening of the main chamber 10a. The quartz crucible 12, the graphite crucible 13, the heater 15 and the heat shield 16 are the main ones. It is provided in the chamber 10a. The pull chamber 10b is provided with an introduction port 10c for argon gas (purge gas), and an exhaust port 10d for argon gas is provided at the bottom of the main chamber 10a. A flow of argon gas is generated in the chamber 10 from the upper side to the lower side. Furthermore, a locking piece 10e is provided inside the pull chamber 10b to limit the lowering operation of the recharging device described later.

石英ルツボ12は、円筒状の側壁部と湾曲した底部とを有する石英ガラス製の容器である。石英ルツボ12を支持する黒鉛ルツボ13は鉛直方向に伸びるシャフト14の上端部に接続されており、シャフト14の下端部はチャンバー10の底部中央を貫通してチャンバー10の外側に設けられたシャフト駆動機構19に接続されている。   The quartz crucible 12 is a quartz glass container having a cylindrical side wall and a curved bottom. A graphite crucible 13 that supports the quartz crucible 12 is connected to the upper end of a shaft 14 that extends in the vertical direction. The lower end of the shaft 14 penetrates the center of the bottom of the chamber 10 and is a shaft drive provided outside the chamber 10. It is connected to the mechanism 19.

ヒーター15は、石英ルツボ12内に充填されたシリコン原料を融解してシリコン融液3を生成するために用いられる。ヒーター15はカーボン製の抵抗加熱式ヒーターであり、黒鉛ルツボ13の外側に同心円状に配置されている。   The heater 15 is used for melting the silicon raw material filled in the quartz crucible 12 to generate the silicon melt 3. The heater 15 is a carbon resistance heating heater, and is arranged concentrically outside the graphite crucible 13.

熱遮蔽体16は、ヒーター15および石英ルツボ12からの輻射熱による単結晶2の加熱を防止すると共に、シリコン融液3の温度変動を抑制するために設けられている。熱遮蔽体16の材料としてはグラファイトを用いることが好ましい。熱遮蔽体16は上方から下方に向かって直径が縮小した逆円錐台形状の部材であり、シリコン融液3の上方を覆うと共に、育成中の単結晶2を取り囲むように設けられている。熱遮蔽体16の下端部は石英ルツボ12の内側に位置するので、石英ルツボ12を上昇させても熱遮蔽体16と干渉することがない。熱遮蔽体16の中央には単結晶2の直径よりも大きな開口部16aが設けられており、単結晶2は開口部16aを通って上方に引き上げられる。   The heat shield 16 is provided to prevent heating of the single crystal 2 due to radiant heat from the heater 15 and the quartz crucible 12 and to suppress temperature fluctuation of the silicon melt 3. It is preferable to use graphite as the material of the heat shield 16. The heat shield 16 is a member having an inverted truncated cone shape whose diameter is reduced from the upper side to the lower side, and is provided so as to cover the upper part of the silicon melt 3 and to surround the growing single crystal 2. Since the lower end portion of the heat shield 16 is located inside the quartz crucible 12, it does not interfere with the heat shield 16 even if the quartz crucible 12 is raised. An opening 16a larger than the diameter of the single crystal 2 is provided at the center of the heat shield 16, and the single crystal 2 is pulled upward through the opening 16a.

黒鉛ルツボ13、シャフト14およびシャフト駆動機構19は石英ルツボ12を回転させるルツボ回転機構および石英ルツボ12を昇降させるルツボ昇降機構を構成している。単結晶2の成長にあわせて融液量は減少し、石英ルツボ12内の液面レベルは低下するため、熱遮蔽体16の下端から融液面までの距離が一定になるように石英ルツボ12を上昇させる制御が行われる。   The graphite crucible 13, the shaft 14, and the shaft drive mechanism 19 constitute a crucible rotating mechanism that rotates the quartz crucible 12 and a crucible lifting mechanism that lifts and lowers the quartz crucible 12. As the single crystal 2 grows, the amount of melt decreases and the liquid level in the quartz crucible 12 decreases, so that the quartz crucible 12 has a constant distance from the lower end of the heat shield 16 to the melt surface. Control to raise the is performed.

石英ルツボ12の上方には、単結晶2の引き上げ軸であるワイヤー17と、ワイヤー17を巻き取るワイヤー巻き取り機構18が設けられている。ワイヤー巻き取り機構18はワイヤー17と共に単結晶2を回転させる機能を有している。ワイヤー巻き取り機構18はプルチャンバー10bの上方に配置されており、ワイヤー17はワイヤー巻き取り機構18からプルチャンバー10b内を通って下方に延びており、ワイヤー17の先端部はメインチャンバー10aの内部空間まで達している。図1には、育成途中の単結晶2がワイヤー17に吊設された状態が示されている。単結晶2の引き上げ時には種結晶をシリコン融液3に浸漬し、石英ルツボ12と種結晶をそれぞれ回転させながらワイヤー17を徐々に引き上げることにより単結晶2を成長させる。   Above the quartz crucible 12, a wire 17 that is a pulling shaft of the single crystal 2 and a wire winding mechanism 18 that winds the wire 17 are provided. The wire winding mechanism 18 has a function of rotating the single crystal 2 together with the wire 17. The wire winding mechanism 18 is disposed above the pull chamber 10b, the wire 17 extends downward from the wire winding mechanism 18 through the pull chamber 10b, and the tip of the wire 17 is located inside the main chamber 10a. The space has been reached. FIG. 1 shows a state in which the single crystal 2 being grown is suspended from the wire 17. When pulling up the single crystal 2, the seed crystal is immersed in the silicon melt 3, and the single crystal 2 is grown by gradually pulling up the wire 17 while rotating the quartz crucible 12 and the seed crystal, respectively.

単結晶の引き上げ工程では、まず単結晶を無転位化するためダッシュネック法によるシード絞り(ネッキング)を行う。次に、必要な直径の単結晶を得るために直径が徐々に広がったショルダー部を育成し、単結晶が所望の直径になったところで直径が一定に維持されたボディ部を育成する。ボディ部を所定の長さまで育成した後、無転位の状態で単結晶を融液3から切り離すためにテール絞りを行なう。   In the single crystal pulling step, seed drawing (necking) is first performed by the dash neck method in order to make the single crystal dislocation-free. Next, in order to obtain a single crystal having a required diameter, a shoulder portion having a gradually widened diameter is grown, and when the single crystal reaches a desired diameter, a body portion having a constant diameter is grown. After growing the body portion to a predetermined length, tail restriction is performed to separate the single crystal from the melt 3 in a dislocation-free state.

マルチプリング法では、一本のシリコン単結晶インゴットを引き上げた後、同一の石英ルツボ12内にシリコン原料をリチャージして融解し、得られたシリコン融液から新たなシリコン単結晶の引き上げを行う。そして、このような原料供給工程と単結晶引き上げ工程を繰り返すことにより、一つの石英ルツボ12から複数本のシリコン単結晶を製造することができる。   In the multiple pulling method, after pulling up one silicon single crystal ingot, the silicon raw material is recharged and melted in the same quartz crucible 12, and a new silicon single crystal is pulled up from the obtained silicon melt. A plurality of silicon single crystals can be manufactured from one quartz crucible 12 by repeating such a raw material supply step and a single crystal pulling step.

シリコン原料のリチャージは二本目以降のシリコン単結晶の原料融解工程においてのみならず、一本目のシリコン単結晶の原料融解工程において行われてもよい。この場合、一つの石英ルツボ12から一本のシリコン単結晶のみを製造するいわゆるシングルプリング法において行われてもよい。通常、一本目のシリコン単結晶の製造では、石英ルツボ12内に予め充填された初期原料をヒーターで加熱して融解する。このとき、シリコン原料の体積が減少して石英ルツボ12内には空き容量が生じる。ここで、できるだけ長尺な単結晶を引き上げるためには石英ルツボ12内にできるだけ多量のシリコン原料がチャージされている必要があり、そのような理由から石英ルツボ12内にはシリコン原料がリチャージされる。マルチプリング法において原料をリチャージする用途に限定されるものではなく、いわゆるシングルプリング法において初期原料が一定量融解した段階で追加原料をリチャージする用途に用いてもよい。   The recharging of the silicon raw material may be performed not only in the second and subsequent silicon single crystal raw material melting step, but also in the first silicon single crystal raw material melting step. In this case, it may be performed in a so-called single pulling method in which only one silicon single crystal is manufactured from one quartz crucible 12. Usually, in the production of the first silicon single crystal, the initial raw material previously filled in the quartz crucible 12 is heated by a heater and melted. At this time, the volume of the silicon raw material is reduced and a free space is generated in the quartz crucible 12. Here, in order to pull up a single crystal as long as possible, it is necessary that as much silicon material as possible be charged in the quartz crucible 12, and for this reason, the silicon material is recharged in the quartz crucible 12. . The present invention is not limited to the use of recharging the raw material in the multiple pulling method, and may be used for the purpose of recharging the additional raw material when a certain amount of the initial raw material has melted in the so-called single pulling method.

次に、石英ルツボ12内にシリコン原料をリチャージする際に用いるリチャージ装置について説明する。   Next, a recharging device used when recharging silicon raw material in the quartz crucible 12 will be described.

図2(a)および(b)は、本発明の実施の形態によるリチャージ装置の構成を示す略断面図であって、図2(a)は底蓋が閉じられ且つシリコン原料が収容された状態、図2(b)は底蓋が開かれ且つシリコン原料が収容されてない状態をそれぞれ示している。   2 (a) and 2 (b) are schematic cross-sectional views showing the configuration of the recharging device according to the embodiment of the present invention. FIG. 2 (a) shows a state in which the bottom lid is closed and the silicon raw material is accommodated. FIG. 2B shows a state in which the bottom cover is opened and no silicon raw material is accommodated.

図2(a)および(b)に示すように、このリチャージ装置20は、ランプ状のシリコン原料Sを収容するチャージ管21と、チャージ管21の上端開口部21aを閉止するフランジ部材22と、チャージ管21の下端開口部21bを開閉する底蓋23と、底蓋23を支持するシャフト24と、シャフト24が挿入されたガイド管25とを備えている。   As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the recharging device 20 includes a charge pipe 21 that houses a lamp-shaped silicon raw material S, a flange member 22 that closes an upper end opening 21a of the charge pipe 21, A bottom cover 23 that opens and closes a lower end opening 21b of the charge tube 21, a shaft 24 that supports the bottom cover 23, and a guide tube 25 into which the shaft 24 is inserted are provided.

チャージ管21は、石英ガラスからなる円筒状の部材であり、その直径は引き上げられるシリコン単結晶の直径と同等がそれよりもよりも少し小さく設定される。チャージ管21の上端開口部21aを閉止するフランジ部材22の中央部には貫通孔22aが設けられており、シャフト24およびガイド管25は貫通孔22aを通ってチャージ管21内に挿入され、チャージ管21内を通って底蓋23の上端まで達している。   The charge tube 21 is a cylindrical member made of quartz glass, and its diameter is set to be the same as the diameter of the silicon single crystal to be pulled up, but slightly smaller than that. A through hole 22a is provided at the center of the flange member 22 that closes the upper end opening 21a of the charge pipe 21, and the shaft 24 and the guide pipe 25 are inserted into the charge pipe 21 through the through hole 22a. It reaches the upper end of the bottom lid 23 through the tube 21.

底蓋23は立体的な部材であり、チャージ管21の内側底面を構成する円錐形状のコーン部23aと、チャージ管21の外側底面を構成する平坦な底板部23bとを備えている。本実施形態において、底蓋23は中空構造を有し、コーン部23aと底板部23bとで囲まれた空間は空洞であるが、断熱材が充填されていてもよい。   The bottom cover 23 is a three-dimensional member, and includes a conical cone portion 23 a that forms the inner bottom surface of the charge tube 21 and a flat bottom plate portion 23 b that forms the outer bottom surface of the charge tube 21. In the present embodiment, the bottom lid 23 has a hollow structure, and the space surrounded by the cone portion 23a and the bottom plate portion 23b is a cavity, but may be filled with a heat insulating material.

コーン部23aはチャージ管21と同様に石英ガラスからなり、チャージ管21内のシリコン原料Sの汚染を防止する役割を果たす。また底蓋23を開いたときにチャージ管21内の原料をスムーズに転落させるための傾斜面を提供している。   The cone portion 23 a is made of quartz glass like the charge tube 21 and plays a role of preventing contamination of the silicon raw material S in the charge tube 21. In addition, an inclined surface is provided for smoothly dropping the raw material in the charge tube 21 when the bottom lid 23 is opened.

一方、底板部23bはコーン部23aよりも耐熱性が高い黒鉛、モリブデン、タングステンなどの材料で形成されている。このように、底蓋23はコーン部23aのみならず底板部23bを有し、底板部23bが耐熱性の高い材料からなるので、コーン部23aの過熱を抑えて熱変形を防止することができる。またチャージ管21内で原料が融解されてしまう事態を防止することができる。   On the other hand, the bottom plate portion 23b is formed of a material such as graphite, molybdenum, or tungsten having higher heat resistance than the cone portion 23a. Thus, the bottom lid 23 has not only the cone portion 23a but also the bottom plate portion 23b, and the bottom plate portion 23b is made of a material having high heat resistance, so that overheating of the cone portion 23a can be suppressed and thermal deformation can be prevented. . Further, it is possible to prevent the raw material from being melted in the charge tube 21.

シャフト24は、底蓋23を昇降させるための部材であり、ガイド管25を通過して垂直方向に延びて底蓋23の上端に接続されている。シャフト24の下端にはヘッド部24aが設けられており、ヘッド部24aの直径は底蓋23のコーン部23aの上端に設けられた貫通孔23c(図8参照)の直径よりも大きいので、貫通孔23cよりも下方に突出したヘッド部24aはコーン部23aと係合している。また底蓋23の内部にはヘッド部24aの上下方向の可動スペースが確保されており、シャフト24に対する底蓋23の上下方向の動きには遊びがある。そのため底蓋23はヘッド部24aよりも下方に移動することはできないが、ヘッド24aよりも上方に移動することは可能である。   The shaft 24 is a member for raising and lowering the bottom lid 23, passes through the guide tube 25, extends in the vertical direction, and is connected to the upper end of the bottom lid 23. A head portion 24a is provided at the lower end of the shaft 24, and the diameter of the head portion 24a is larger than the diameter of a through hole 23c (see FIG. 8) provided at the upper end of the cone portion 23a of the bottom lid 23. The head portion 24a protruding downward from the hole 23c is engaged with the cone portion 23a. In addition, a vertical movable space of the head portion 24 a is secured inside the bottom cover 23, and there is play in the vertical movement of the bottom cover 23 with respect to the shaft 24. For this reason, the bottom lid 23 cannot move downward from the head portion 24a, but can move upward from the head 24a.

コーン部23aに対して底板部23bを固定する方法は特に限定されないが、例えばコーン部23a側に設けられた鍔部に底板部23bを嵌合させてもよく、ねじ止めにより固定してもよい。ねじ止め固定の場合、例えば、底板部23bの中心に貫通穴を設け、貫通穴にシャフト24を通し、シャフト24の下端にワッシャーを介してナットを締結させてもよい。   The method for fixing the bottom plate portion 23b to the cone portion 23a is not particularly limited. For example, the bottom plate portion 23b may be fitted to a flange provided on the cone portion 23a side, or may be fixed by screwing. . In the case of fixing by screwing, for example, a through hole may be provided in the center of the bottom plate portion 23b, the shaft 24 may be passed through the through hole, and a nut may be fastened to the lower end of the shaft 24 via a washer.

ガイド管25はシャフト24がチャージ管21内のシリコン原料Sと接触することを防止するために設けられている。ガイド管25はチャージ管21およびコーン部23aと同様に石英ガラスからなり、その下端はコーン部23aの上端部に接続されており、ガイド管25はコーン部23aと一体化されている。またガイド管25の上端部はフランジ部材22の貫通孔22aを通過してフランジ部材22よりも上方に突出しており、その突出量は、底蓋23を最も低い位置まで降下させた場合でも突出状態が維持される程度とされる。   The guide tube 25 is provided to prevent the shaft 24 from coming into contact with the silicon raw material S in the charge tube 21. The guide tube 25 is made of quartz glass similarly to the charge tube 21 and the cone portion 23a, and the lower end thereof is connected to the upper end portion of the cone portion 23a, and the guide tube 25 is integrated with the cone portion 23a. The upper end portion of the guide tube 25 passes through the through hole 22a of the flange member 22 and protrudes upward from the flange member 22. The protruding amount is a protruding state even when the bottom lid 23 is lowered to the lowest position. Is to the extent that is maintained.

次に、リチャージ装置20を用いたシリコン原料のリチャージ方法および融解方法について説明する。   Next, a silicon material recharging method and melting method using the recharging apparatus 20 will be described.

図3〜図6は、リチャージ装置20を用いたシリコン原料のリチャージ工程および融解工程を説明するための略断面図である。   3 to 6 are schematic cross-sectional views for explaining a silicon material recharging step and a melting step using the recharging device 20.

図3に示すように、シリコン原料のリチャージ工程ではまずシリコン原料Sが収容されたリチャージ装置20をシリコン単結晶製造装置1のワイヤー17の先端に連結してプルチャンバー10b内に設置する。ワイヤー17の先端にはリチャージ装置20のシャフト24の上端が接続される。これにより、リチャージ装置20は石英ルツボ12の上方に配置される。   As shown in FIG. 3, in the silicon material recharging step, first, the recharging device 20 containing the silicon material S is connected to the tip of the wire 17 of the silicon single crystal manufacturing device 1 and installed in the pull chamber 10b. The upper end of the shaft 24 of the recharging device 20 is connected to the tip of the wire 17. As a result, the recharge device 20 is disposed above the quartz crucible 12.

次に図4に示すように、ワイヤー17を巻き下げてリチャージ装置20を降下させる。リチャージ装置20をしばらく降下させるとフランジ部材22がプルチャンバー10b内の係止片10eに当接し、チャージ管21のそれ以上の降下が制限される。このときリチャージ装置20の下端の垂直方向の位置は熱遮蔽体16の下端とほぼ同じかそれよりも下方に位置している。   Next, as shown in FIG. 4, the wire 17 is lowered to lower the recharge device 20. When the recharge device 20 is lowered for a while, the flange member 22 comes into contact with the locking piece 10e in the pull chamber 10b, and further lowering of the charge tube 21 is restricted. At this time, the vertical position of the lower end of the recharge device 20 is substantially the same as or lower than the lower end of the heat shield 16.

次に図5に示すように、チャージ管21の降下が制限された状態でワイヤー17をさらに巻き下げることによりシャフト24が降下し、シリコン原料Sおよびガイド管25の重みと底蓋23の自重により底蓋23がシャフト24と共に降下し、これによりチャージ管21の下端開口部21bが開いてシリコン原料Sが落下する。底蓋23の内側底面は円錐形状の傾斜面であるため、シリコン原料Sは底蓋23に引っかかることなくスムーズに落下して石英ルツボ12内に投入される。また、シリコン原料Sのリチャージ時にチャージ管21の下端、すなわちチャージ管21の下端開口部21bは熱遮蔽体16の下端とほぼ同じかそれよりも下方に位置するので、原料が熱遮蔽体16に衝突することがなく、熱遮蔽体16の損傷を回避することができる。   Next, as shown in FIG. 5, the shaft 24 is lowered by further lowering the wire 17 in a state where the lowering of the charge tube 21 is restricted, and due to the weight of the silicon raw material S and the guide tube 25 and the weight of the bottom lid 23. The bottom cover 23 is lowered together with the shaft 24, whereby the lower end opening 21b of the charge tube 21 is opened and the silicon raw material S is dropped. Since the inner bottom surface of the bottom cover 23 is a conical inclined surface, the silicon raw material S falls smoothly without being caught by the bottom cover 23 and is put into the quartz crucible 12. Further, when the silicon raw material S is recharged, the lower end of the charge tube 21, that is, the lower end opening 21 b of the charge tube 21 is positioned substantially the same as or below the lower end of the heat shield 16. There is no collision, and damage to the heat shield 16 can be avoided.

その後、図6に示すように、石英ルツボ12内にリチャージされた固体原料をヒーター15で加熱して融解する。このとき、リチャージ装置20を取り出すことなくメインチャンバー10a内にそのまま配置し、さらに底蓋23を降下させた状態まま石英ルツボ12内のシリコン原料Sを融解することにより、底蓋23をいわゆるメルト蓋として機能させることができる。   Thereafter, as shown in FIG. 6, the solid material recharged in the quartz crucible 12 is heated by the heater 15 to be melted. At this time, the recharge device 20 is placed in the main chamber 10a without being taken out, and the silicon raw material S in the quartz crucible 12 is melted while the bottom cover 23 is lowered, so that the bottom cover 23 is a so-called melt cover. Can function as.

原料融解工程におけるチャージ管21や底蓋23の高さは、原料リチャージ時と同じ高さであってもよく、違う高さであってもよい。したがって、例えばチャージ管21および底蓋23を原料リチャージ時よりも上方に引き上げてから原料融解工程を行ってもよい。例えば、底蓋23が開いている状態のまま底蓋23を熱遮蔽体16の下端の高さに合わせることにより、石英ルツボ12内のシリコン原料の保温性をさらに高めることができる。   The height of the charge tube 21 and the bottom lid 23 in the raw material melting step may be the same height as at the time of the raw material recharge, or may be a different height. Therefore, for example, the raw material melting step may be performed after the charge tube 21 and the bottom cover 23 are pulled upward from the raw material recharge time. For example, by keeping the bottom lid 23 at the height of the lower end of the heat shield 16 while the bottom lid 23 is open, the heat retaining property of the silicon raw material in the quartz crucible 12 can be further enhanced.

このように、原料融解工程では底蓋23をメルト蓋として用いることで石英ルツボ12内の保温性が高まるので、ヒーター15によるシリコン原料Sの加熱効率を高めることができ、原料融解時の消費電力を抑えることができる。また、底蓋23の内側底面を構成するコーン部23aが石英製であるのに対し、底蓋23の外側側面を構成する底板部23bがコーン部23aよりも耐熱性が高い材料からなるので、コーン部23aの過熱を抑えることができる。したがって、底蓋23をリチャージ装置20の単なる蓋としてのみならずメルト蓋として用いることができると共に、コーン部23aが熱変形したりコーン部23aの表面に残留するシリコン微粉が融解して固着することにより底蓋23の閉まり具合が悪化したりする事態を防止することができる。   Thus, in the raw material melting step, the heat retention in the quartz crucible 12 is increased by using the bottom lid 23 as a melt lid, so that the heating efficiency of the silicon raw material S by the heater 15 can be increased, and the power consumption when the raw material is melted. Can be suppressed. Further, the cone portion 23a constituting the inner bottom surface of the bottom lid 23 is made of quartz, whereas the bottom plate portion 23b constituting the outer side surface of the bottom lid 23 is made of a material having higher heat resistance than the cone portion 23a. The overheating of the cone part 23a can be suppressed. Therefore, the bottom lid 23 can be used not only as a lid for the recharge device 20 but also as a melt lid, and the cone portion 23a is thermally deformed or silicon fine powder remaining on the surface of the cone portion 23a is melted and fixed. Therefore, it is possible to prevent a situation in which the degree of closing of the bottom lid 23 is deteriorated.

図7(a)〜(c)は、リチャージ原料1投分の電力消費のシミュレーション結果を示すグラフであり、横軸は時間(hr)、縦軸はトータルの電力(kW)をそれぞれ示している。なおこのシミュレーションはシミュレーションソフト「CGSim」を用いて行ったものである。   FIGS. 7A to 7C are graphs showing simulation results of power consumption for one recharge raw material. The horizontal axis represents time (hr) and the vertical axis represents total power (kW). . This simulation was performed using simulation software “CGSim”.

図7(a)に示すように、リチャージ装置およびメルト蓋をまったく用いない場合、単位時間(1hr)当たりの電力消費量は220kWであり、5時間の総電力消費量(積算値)は1100kWとなる。   As shown in FIG. 7A, when no recharge device and melt lid are used, the power consumption per unit time (1 hr) is 220 kW, and the total power consumption (integrated value) for 5 hours is 1100 kW. Become.

また図7(b)に示すように、従来のリチャージ装置およびメルト蓋を交換して用いる場合、リチャージ装置をメルト蓋に交換する際の段取りロスが1.5hr発生し、この期間中は電力削減効果が得られない。しかし、メルト蓋に交換した後は電力の削減が可能となり、5時間の総電力消費量(積算値)は1015kWとなる。すなわち、リチャージ装置およびメルト蓋をまったく用いない場合に比べてトータルで約9%の電力削減効果を見込むことができる。   In addition, as shown in FIG. 7B, when the conventional recharge device and the melt lid are replaced and used, a setup loss occurs when the recharge device is replaced with the melt lid, and power is reduced during this period. The effect is not obtained. However, after replacing the melt lid, the power can be reduced, and the total power consumption (integrated value) for 5 hours is 1015 kW. That is, a total power reduction effect of about 9% can be expected as compared with the case where no recharge device and melt lid are used.

一方、図7(c)に示すように、本発明によるリチャージ装置を用いてリチャージ装置からメルト蓋への交換作業を不要にした場合には、段取りロスがなくなることにより1.5hr分の電力削減効果が得られる。そして原料投入後にリチャージ装置20の底蓋23がメルト蓋の役割を果たすことから、5時間の総電力消費量(積算値)は974kWとなる。すなわち、リチャージ装置およびメルト蓋をまったく用いない場合に比べてトータルで13%の電力削減効果を見込むことができ、リチャージ装置からメルト蓋に交換する場合に比べて4%の電力削減効果を見込むことができる。リチャージ回数が4回であれば6hr分の段取りロスがなくなることから、リチャージ回数が増加するほどその効果は顕著である。   On the other hand, as shown in FIG. 7C, when the replacement work from the recharge device to the melt lid is made unnecessary by using the recharge device according to the present invention, the power loss is reduced by 1.5 hours by eliminating the setup loss. An effect is obtained. And since the bottom cover 23 of the recharge apparatus 20 plays the role of a melt cover after charging the raw materials, the total power consumption (integrated value) for 5 hours is 974 kW. That is, a total power reduction effect of 13% can be expected compared to the case where no recharge device and melt lid are used, and a power reduction effect of 4% is expected compared to the case where the recharge device is replaced with a melt lid. Can do. If the number of recharges is 4, the setup loss for 6 hours is eliminated, and the effect becomes more remarkable as the number of recharges increases.

図8(a)〜(d)は、リチャージ装置20の底蓋23の構造のバリエーションを示す断面図である。   FIGS. 8A to 8D are cross-sectional views showing variations of the structure of the bottom cover 23 of the recharging device 20.

図8(a)に示す底蓋23は、図2でも示した中空構造を有しており、コーン部23aと底板部23bとに囲まれた底蓋23の中空部23eが空洞を構成している。なお底蓋23の中空部23eとは、底蓋23の内部のうちシャフト24のヘッド部24a(図2参照)の上下方向の可動スペースを除いた領域である。コーン部23aは石英ガラスからなり、その上端部にはヘッド部24aを係合させるための貫通孔23cが設けられている。底板部23bはコーン部23aよりも耐熱性が高い黒鉛、モリブデンまたはタングステンなどの材料からなる。そのため、コーン部23aを熱から保護することができる。   The bottom lid 23 shown in FIG. 8 (a) has the hollow structure shown in FIG. 2, and the hollow portion 23e of the bottom lid 23 surrounded by the cone portion 23a and the bottom plate portion 23b constitutes a cavity. Yes. In addition, the hollow part 23e of the bottom cover 23 is an area | region except the movable space of the up-down direction of the head part 24a (refer FIG. 2) of the shaft 24 among the insides of the bottom cover 23. FIG. The cone portion 23a is made of quartz glass, and a through hole 23c for engaging the head portion 24a is provided at the upper end portion thereof. The bottom plate part 23b is made of a material such as graphite, molybdenum or tungsten, which has higher heat resistance than the cone part 23a. Therefore, the cone part 23a can be protected from heat.

図8(b)に示すように、底蓋23の中空部23eには断熱材として炭素繊維23fが充填されていてもよい。中空部23eに炭素繊維23fを充填することによりコーン部23aの温度を下げることができる。断熱材として炭素繊維以外の他の材料を用いてもよく、底板部23bと同一の材料の場合、底板部23bと断熱材とが一体化されていてもよい。例えば、底板部23bが黒鉛であるとき、充填材は黒鉛であってもよく、モリブデンやタングステンであってもよい。また底板部がモリブデンであるとき、断熱材はモリブデンであってもよく、黒鉛やタングステンであってもよい。   As shown in FIG. 8B, the hollow portion 23e of the bottom lid 23 may be filled with carbon fibers 23f as a heat insulating material. By filling the hollow portion 23e with the carbon fiber 23f, the temperature of the cone portion 23a can be lowered. A material other than carbon fiber may be used as the heat insulating material, and in the case of the same material as the bottom plate portion 23b, the bottom plate portion 23b and the heat insulating material may be integrated. For example, when the bottom plate portion 23b is graphite, the filler may be graphite, or molybdenum or tungsten. Further, when the bottom plate portion is molybdenum, the heat insulating material may be molybdenum, or may be graphite or tungsten.

図8(c)に示すように、底蓋23の中空部23eには断熱材料層23gと空気層23hとが交互に積層された多層構造体を設けてもよい。この場合、断熱材料層23gの材料は例えば、黒鉛、モリブデンまたはタングステンである。この構成によれば、底板部23bとコーン部23aの両方の温度を下げることができる。   As shown in FIG. 8C, the hollow portion 23e of the bottom lid 23 may be provided with a multilayer structure in which heat insulating material layers 23g and air layers 23h are alternately stacked. In this case, the material of the heat insulating material layer 23g is, for example, graphite, molybdenum, or tungsten. According to this structure, the temperature of both the baseplate part 23b and the cone part 23a can be lowered | hung.

図8(d)に示すように、底蓋23の中空部23eには二種類の断熱材料層23g,23iが交互に積層された多層構造体を設けてもよい。一方の断熱材料層23gの材料は例えば黒鉛であり、他方の断熱材料層23iの材料はモリブデンまたはタングステンである。この構成によれば、図8(c)に示した構造と同様に底板部23bとコーン部23aの両方の温度を下げることができる。   As shown in FIG. 8D, the hollow portion 23e of the bottom lid 23 may be provided with a multilayer structure in which two types of heat insulating material layers 23g and 23i are alternately stacked. The material of one heat insulating material layer 23g is, for example, graphite, and the material of the other heat insulating material layer 23i is molybdenum or tungsten. According to this configuration, the temperature of both the bottom plate portion 23b and the cone portion 23a can be lowered similarly to the structure shown in FIG.

以上説明したように、本実施形態によるリチャージ装置20は、チャージ管21の下端開口部を開閉する底蓋23が石英製のコーン部23aとコーン部23aの底部に取り付けられた耐熱性が高い底板部23bとで構成されているので、チャージ管21内に収容されたシリコン原料の汚染防止と取り出しやすさを確保しながら、底蓋23の耐熱性を高めることができる。したがって、底蓋23を原料融解時のメルト蓋として使用することができる。   As described above, the recharge apparatus 20 according to the present embodiment has a quartz base 23 having a bottom lid 23 that opens and closes the lower end opening of the charge tube 21 and is attached to the bottom of the cone 23a. Since it is comprised with the part 23b, the heat resistance of the bottom cover 23 can be improved, ensuring the contamination prevention of the silicon raw material accommodated in the charge tube 21, and the ease of taking out. Therefore, the bottom lid 23 can be used as a melt lid at the time of raw material melting.

また、本実施形態によるシリコン原料の融解方法は、上記リチャージ装置20を用いて石英ルツボ12内にシリコン原料をリチャージした後、リチャージ原料の融解工程においてリチャージ装置20の底蓋23をメルト蓋として使用しながら原料を加熱するので、リチャージ装置からメルト蓋への段取り替え(真空開放、リチャージ装置取り外し、メルト蓋取り付けおよび真空引き)に要する時間および消費電力のロスを削減することができる。したがって、原料の加熱効率を高めて消費電力を削減することができ、原料融解時間を短縮することもできる。   In the silicon raw material melting method according to the present embodiment, after the silicon raw material is recharged into the quartz crucible 12 using the recharging device 20, the bottom lid 23 of the recharging device 20 is used as a melt lid in the recharging raw material melting step. In addition, since the raw material is heated, the time required for the changeover from the recharge device to the melt lid (vacuum release, recharge device removal, melt lid attachment, and evacuation) and loss of power consumption can be reduced. Accordingly, the heating efficiency of the raw material can be increased to reduce power consumption, and the raw material melting time can also be shortened.

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。   The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Needless to say, it is included in the range.

例えば、上記実施形態においては、フランジ部材22がプルチャンバー10b内の係止片10eと係合することでチャージ管21の降下が制限され、この状態でシャフト14をさらに降下させることで底蓋23を開く機構としたが、底蓋23の開閉機構は特に限定されず、種々の構造を採用することができる。   For example, in the above embodiment, the lowering of the charge pipe 21 is restricted by the flange member 22 engaging with the locking piece 10e in the pull chamber 10b, and the bottom lid 23 is lowered by further lowering the shaft 14 in this state. However, the opening / closing mechanism of the bottom lid 23 is not particularly limited, and various structures can be employed.

リチャージ装置の底蓋を使用したシリコン原料融解工程において、底蓋の構造の違いが投入電力にどのような影響を与えるかをシミュレーションにより評価した。シミュレーションには上述のシミュレーションソフト「CGSim」を用いた。評価対象となる底蓋の構造は以下の通りである。   In the silicon raw material melting process using the bottom cover of the recharge device, the effect of the difference in the structure of the bottom cover on the input power was evaluated by simulation. The simulation software “CGSim” described above was used for the simulation. The structure of the bottom lid to be evaluated is as follows.

まず比較例1はメルト蓋をまったく用いない場合である。比較例2の底蓋は、底蓋のコーン部および底板部が黒鉛からなり、底蓋内部に繊維断熱材が充填されたものである。つまりこの底蓋はパーツ全体が黒鉛製である。   First, Comparative Example 1 is a case where no melt lid is used. In the bottom cover of Comparative Example 2, the cone part and the bottom plate part of the bottom cover are made of graphite, and the inside of the bottom cover is filled with a fiber heat insulating material. In other words, this bottom cover is entirely made of graphite.

また、実施例1〜6はいずれも、底蓋のコーン部が石英ガラスからなるが、底蓋の底板部または底蓋内部の構造が互いに異なるものである。例えば実施例1および2の底板部は黒鉛製であり、実施例3〜6の底板部はモリブデン製である。また実施例1および3の底蓋内部は空洞(充填材料無し)であり、実施例2および4の底蓋内部には繊維断熱材が充填されている。また実施例5の底蓋内部はモリブデン板と空気層とを交互に積層してなる多層構造体からなり、実施例6の底蓋内部はモリブデン板と黒鉛板とを交互に積層してなる多層構造体からなる。   In each of Examples 1 to 6, the cone portion of the bottom lid is made of quartz glass, but the bottom plate portion of the bottom lid or the structure inside the bottom lid is different from each other. For example, the bottom plate portions of Examples 1 and 2 are made of graphite, and the bottom plate portions of Examples 3 to 6 are made of molybdenum. The inside of the bottom lids of Examples 1 and 3 are hollow (no filling material), and the inside of the bottom lids of Examples 2 and 4 is filled with a fiber heat insulating material. Further, the inside of the bottom lid of Example 5 is composed of a multilayer structure in which molybdenum plates and air layers are alternately laminated, and the inside of the bottom lid of Example 6 is a multilayer in which molybdenum plates and graphite plates are alternately laminated. Consists of a structure.

シミュレーションでは、図1に示したシリコン単結晶製造装置内にリチャージ装置を設置し、石英ルツボ内に480kgのシリコン原料をチャージした。また炉内圧を40Torr、アルゴンガス流量を250ml/minとし、ガスの流れを層流モデルに設定した。温度のコントロールポイントとしては融液表面中心から1mm下方にシリコンの融点1412℃を設定した。そしてこのような条件下でヒーターのパワーを上げて原料を融解するために必要な電力を求めた。その結果を表1に示す。   In the simulation, a recharge apparatus was installed in the silicon single crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 1, and 480 kg of silicon raw material was charged in the quartz crucible. The furnace pressure was 40 Torr, the argon gas flow rate was 250 ml / min, and the gas flow was set to a laminar flow model. As a temperature control point, a silicon melting point of 1412 ° C. was set 1 mm below the melt surface center. Under such conditions, the power required to melt the raw material by increasing the power of the heater was obtained. The results are shown in Table 1.

表1から明らかなように、比較例1では石英ルツボ内の原料を融解するために必要な電力が112.5kWであったのに対し、比較例2では80.4kWであり、約30%もの電力削減効果があることが確認できた。しかし、比較例2では底蓋全体が黒鉛製であるため実用上の問題がある。   As is clear from Table 1, in Comparative Example 1, the electric power necessary for melting the raw material in the quartz crucible was 112.5 kW, whereas in Comparative Example 2, it was 80.4 kW, about 30%. It was confirmed that there was a power reduction effect. However, Comparative Example 2 has a practical problem because the entire bottom lid is made of graphite.

実施例1〜6においても、比較例2と同様に電力の低減効果を確認することができた。このうち、実施例1、2、3、4の電力はそれぞれ81.4kW、79.7kW、80.3kWおよび79.6kWであり、いずれも比較例2と同レベルの電力削減効果であった。これに対し、実施例5の電力は74.3kW、また実施例6の電力は72.5kWであり、底蓋内部が多層構造の場合には実施例1〜4よりもさらに保温性が高められ、これにより高い電力削減効果があることが分かった。   In Examples 1 to 6, as in Comparative Example 2, the effect of reducing the power could be confirmed. Among these, the electric power of Examples 1, 2, 3, and 4 was 81.4 kW, 79.7 kW, 80.3 kW, and 79.6 kW, respectively, and all were the electric power reduction effect of the same level as the comparative example 2. On the other hand, the electric power of Example 5 is 74.3 kW, and the electric power of Example 6 is 72.5 kW. In the case where the inside of the bottom cover has a multilayer structure, the heat retention is further improved as compared with Examples 1 to 4. As a result, it was found that there is a high power reduction effect.

1 シリコン単結晶製造装置
2 シリコン単結晶
3 シリコン融液
10 チャンバー
10a メインチャンバー
10b プルチャンバー
10c ガス導入口
10d ガス排気口
10e 係止片
11 断熱材
12 石英ルツボ
13 黒鉛ルツボ
14 シャフト
15 ヒーター
16 熱遮蔽体
16a 開口部
17 ワイヤー
18 ワイヤー巻き取り機構
19 シャフト駆動機構
20 リチャージ装置
21 チャージ管
21a チャージ管の上端開口部
21b チャージ管の下端開口部
22 フランジ部材
22a フランジ部材の貫通孔
23 底蓋
23a コーン部
23b 底板部
23c コーン部の貫通孔
23e 中空部
23f 炭素繊維
23g 断熱材料層
23h 空気層
23i 断熱材料層
24 シャフト
24a シャフトのヘッド部
25 ガイド管
S シリコン原料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Silicon single crystal manufacturing apparatus 2 Silicon single crystal 3 Silicon melt 10 Chamber 10a Main chamber 10b Pull chamber 10c Gas inlet 10d Gas exhaust 10e Locking piece 11 Heat insulating material 12 Quartz crucible 13 Graphite crucible 14 Shaft 15 Heater 16 Heat shield Body 16a Opening 17 Wire 18 Wire winding mechanism 19 Shaft drive mechanism 20 Recharging device 21 Charge pipe 21a Charge pipe upper end opening 21b Charge pipe lower end opening 22 Flange member 22a Flange member through hole 23 Bottom lid 23a Cone 23b Bottom plate part 23c Cone through hole 23e Hollow part 23f Carbon fiber 23g Heat insulation material layer 23h Air layer 23i Heat insulation material layer 24 Shaft 24a Shaft head part 25 Guide tube S Silicon raw material

Claims (6)

リチャージ装置を用いたシリコン原料の融解方法であって、
前記リチャージ装置は、
シリコン原料を収容するチャージ管と、
前記チャージ管の下端開口部を開閉する底蓋と、
前記底蓋を昇降可能に支持するシャフトとを有し、
前記底蓋は、石英ガラスからなり、前記チャージ管の内側底面を構成する円錐形状のコーン部と、前記コーン部よりも耐熱性が高い材料からなり、前記チャージ管の外側底面を構成する平坦な底板部とを含み、
前記融解方法は、
シリコン原料が収容された前記リチャージ装置をチャンバー内の石英ルツボの上方に配置する工程と、
前記リチャージ装置の前記チャージ管の前記下端開口部を閉塞する前記底蓋を降下させて前記下端開口部を開放し、前記チャージ管内の前記シリコン原料を落下させて、前記石英ルツボ内に前記シリコン原料をリチャージする工程と、
前記リチャージ装置が前記チャンバー内に設置され且つ前記底蓋を降下させた状態のまま前記石英ルツボ内の前記シリコン原料をヒーターで加熱して融解する工程とを備えることを特徴とするシリコン原料の融解方法。
A method of melting silicon raw material using a recharge device,
The recharging device is:
A charge tube containing silicon raw material;
A bottom lid that opens and closes a lower end opening of the charge tube;
A shaft that supports the bottom lid so as to be movable up and down;
The bottom cover is made of quartz glass, and is formed of a cone-shaped cone portion constituting the inner bottom surface of the charge tube, and a material having higher heat resistance than the cone portion, and is a flat portion constituting the outer bottom surface of the charge tube. Including a bottom plate part,
The melting method is:
Placing the recharge device containing the silicon raw material above the quartz crucible in the chamber;
Lowering the bottom lid that closes the lower end opening of the charge tube of the recharge device to open the lower end opening, dropping the silicon material in the charge tube, and dropping the silicon material into the quartz crucible Recharging
Melting the silicon material, wherein the recharging device is installed in the chamber and the silicon material in the quartz crucible is heated and melted with a heater while the bottom cover is lowered. Method.
前記底板部は、黒鉛、タングステンおよびモリブデンから選ばれた少なくとも一つの材料を含む、請求項1に記載のシリコン原料の融解方法The method for melting a silicon raw material according to claim 1, wherein the bottom plate portion includes at least one material selected from graphite, tungsten, and molybdenum. 前記コーン部と前記底板部とに囲まれた前記底蓋の内部は空洞である、請求項1または2に記載のシリコン原料の融解方法The silicon raw material melting method according to claim 1 or 2, wherein the inside of the bottom lid surrounded by the cone portion and the bottom plate portion is a cavity. 前記コーン部と前記底板部とに囲まれた前記底蓋の内部には炭素繊維が充填されている、請求項1または2に記載のシリコン原料の融解方法The silicon raw material melting method according to claim 1 or 2, wherein carbon fiber is filled in the bottom lid surrounded by the cone portion and the bottom plate portion. 前記コーン部と前記底板部とに囲まれた前記底蓋の内部には断熱材料層と空洞層とが交互に積層された多層構造体が設けられており、
前記断熱材料層は、黒鉛、タングステンおよびモリブデンから選ばれた少なくとも一つの材料を含む、請求項1または2に記載のシリコン原料の融解方法
In the inside of the bottom lid surrounded by the cone portion and the bottom plate portion is provided a multilayer structure in which heat insulating material layers and hollow layers are alternately laminated,
The method for melting a silicon raw material according to claim 1, wherein the heat insulating material layer includes at least one material selected from graphite, tungsten, and molybdenum.
前記コーン部と前記底板部とに囲まれた前記底蓋の内部には第1の断熱材料層と第2の断熱材料層とが交互に積層された多層構造体が設けられており、
前記第1の断熱材料層は、黒鉛、タングステンおよびモリブデンから選ばれた少なくとも一つの材料を含み、
前記第2の断熱材料層は炭素繊維からなる、請求項1または2に記載のシリコン原料の融解方法
A multilayer structure in which a first heat insulating material layer and a second heat insulating material layer are alternately stacked is provided inside the bottom cover surrounded by the cone portion and the bottom plate portion,
The first heat insulating material layer includes at least one material selected from graphite, tungsten and molybdenum,
The method for melting a silicon raw material according to claim 1 or 2, wherein the second heat insulating material layer is made of carbon fiber.
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